多自由度氣動(dòng)柔性手腕動(dòng)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

劉洪波，耿德旭，劉齊，祝燕

(1.北華大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林吉林 132021；2.北華大學(xué)護(hù)理學(xué)院，吉林吉林 132013)

0 前言

作為手臂和手爪之間的重要連接部件，手腕主要用來(lái)調(diào)整手爪的空間位姿以及確定手爪與目標(biāo)物體的接觸狀態(tài)，是人類使用較多且易受損傷的關(guān)節(jié)。隨著老齡化程度的不斷加劇，中風(fēng)患者和行動(dòng)缺失患者群體數(shù)量呈逐年增加的趨勢(shì)，其中近2/3的患者會(huì)出現(xiàn)手臂麻痹和失能[1]。為解決手臂，尤其是腕部失能人群的術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練等問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)手腕康復(fù)機(jī)器人開(kāi)展深入研究。趙耀虹等[2]研制了一款3-RRP 球面并聯(lián)的柔順手腕，該手腕具有三個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)掌屈/背伸、尺偏/橈偏和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可用于腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。LUO等[3]研究了一種三自由度的適用于前臂和手腕的康復(fù)架，但其結(jié)構(gòu)較為笨重，攜帶困難。MARTINEZ等[4]通過(guò)3組轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)制成了一種用于腕部的康復(fù)訓(xùn)練器，但整體剛性較大，柔性不足。

目前，多數(shù)手腕康復(fù)訓(xùn)練器為剛性結(jié)構(gòu)，雖然能夠保證定位精度和承載能力，但整體柔順性不足，人機(jī)安全性差。因此，如何將彈性材料引入手腕本體，使它具有結(jié)構(gòu)上的柔順性成為解決上述難題的一個(gè)重要途徑。PRATT和WILLIAMSON[5]最早提出采用串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器解決輸出力可控可調(diào)的問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)設(shè)想被廣泛應(yīng)用到醫(yī)療康復(fù)、服務(wù)、人機(jī)協(xié)作等機(jī)器人上。KATO等[6]利用3個(gè)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器研制了一種可穿戴式手腕康復(fù)器，可對(duì)佩戴在人體手腕的設(shè)備進(jìn)行位置跟蹤和姿態(tài)控制。SAITO等[7]設(shè)計(jì)了一種由氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的球形手腕機(jī)器人，可通過(guò)各人工肌肉收縮量間的協(xié)調(diào)配合精確控制手腕姿態(tài)。彭媛[8]研制了一款由形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的手腕，實(shí)現(xiàn)了俯仰、橫擺功能，運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)±45°。劉偉等人[9]基于2SPS/U并聯(lián)機(jī)構(gòu)研制了一款繩索驅(qū)動(dòng)串并混聯(lián)肘腕康復(fù)機(jī)器人，具有柔彈性好、慣性沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，保證了康復(fù)訓(xùn)練的安全性、舒適性。

為解決腦外傷和中風(fēng)等患者術(shù)后腕部康復(fù)訓(xùn)練等問(wèn)題，本文作者采用伸長(zhǎng)型氣動(dòng)人工肌肉與球形制動(dòng)器相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，研制一種氣動(dòng)柔性手腕，搭建動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別在不同阻尼情況下(即制動(dòng)器是否工作)對(duì)手腕進(jìn)行2種激勵(lì)信號(hào)(階躍和脈沖)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，分析得到阻尼對(duì)手腕動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 手腕結(jié)構(gòu)與功能

如圖1所示，柔性手腕由圓周均布的4根軸向伸長(zhǎng)型氣動(dòng)肌肉[10]和中間的一個(gè)氣動(dòng)環(huán)形制動(dòng)器并聯(lián)而成，具有2個(gè)自由度、2個(gè)機(jī)動(dòng)度，每相鄰2個(gè)人工肌肉同時(shí)驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)手腕的俯仰和橫擺運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。氣動(dòng)肌肉距離中心45 mm，圓周90°均布。制動(dòng)器為薄壁球體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，主要由上/下球座、限位片、制動(dòng)片和鼓形氣囊組成。手腕整體為圓柱狀結(jié)構(gòu)，直徑為110 mm、高為100 mm、質(zhì)量為540 g。為保證手腕整體變形協(xié)調(diào)，在軸向50 mm處增添一個(gè)保持架，連接4根人工肌肉，如圖2所示。

如圖3所示，制動(dòng)器安裝時(shí)，氣囊、制動(dòng)片和上球座之間存在初始間隙(T1和T2)，手腕此刻可以自由彎曲。當(dāng)外界負(fù)載發(fā)生變化或任務(wù)需要時(shí)，制動(dòng)器工作，實(shí)現(xiàn)加壓制動(dòng)。其工作原理如下：壓縮氣體由進(jìn)氣管進(jìn)入鼓形氣囊后，氣囊受壓膨脹，由于上下限位片限制了氣囊的軸向膨脹，只能沿徑向膨脹，推動(dòng)制動(dòng)片與上球座接產(chǎn)生正壓力，增大了二者間的摩擦力，阻礙了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)；制動(dòng)力大小與通入氣壓值成正比；泄壓后，在氣囊自身彈性作用下，制動(dòng)各零部件恢復(fù)到初始位置，制動(dòng)力減少至0，制動(dòng)失效。因此，該柔性手腕可通過(guò)不同驅(qū)動(dòng)肌肉的協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)類人手腕的俯仰和橫擺，且能夠根據(jù)任務(wù)需要，通過(guò)制動(dòng)器加壓制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位置保持。

2 手腕動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

利用圖4所示的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)原理，采用單一變量(制動(dòng)器是否工作)對(duì)手腕進(jìn)行不同激勵(lì)信號(hào)下的動(dòng)力學(xué)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置由三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(型號(hào)：Optotrak)、氣源、控制平臺(tái)和氣動(dòng)元件等組成，如圖5所示。通過(guò)PLC編程控制系統(tǒng)輸出激勵(lì)信號(hào)，然后由三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)手腕上的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行捕捉和追蹤，獲得不同時(shí)刻手腕動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(位置矢量、速度和加速度等)。具體實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 階躍激勵(lì)下時(shí)域響應(yīng)對(duì)比分析

圖6所示為手腕自由變形時(shí)，在不同氣壓激勵(lì)下的階躍時(shí)域響應(yīng)曲線?？芍菏滞筮_(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，超調(diào)量幾乎為0，屬于過(guò)阻尼系統(tǒng)，且彎曲角度與驅(qū)動(dòng)氣壓呈正比。在充氣過(guò)程中，隨著氣壓的增加，手腕彎曲角度的增速增加。

圖7所示為驅(qū)動(dòng)氣壓為0.30 MPa時(shí)，不同阻尼對(duì)手腕階躍激勵(lì)時(shí)域響應(yīng)對(duì)比曲線?？芍弘S著制動(dòng)器工作氣壓的增加，阻尼逐漸增大，手腕達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的彎曲角度逐漸減少。

2.2 脈沖激勵(lì)下時(shí)域響應(yīng)對(duì)比分析

2.2.1 無(wú)制動(dòng)時(shí)脈沖激勵(lì)響應(yīng)分析

圖8所示為手腕在驅(qū)動(dòng)氣壓0.30 MPa時(shí)，不同脈寬(0.5、1.0、1.5 s)激勵(lì)下的時(shí)域響應(yīng)曲線。可知：脈寬0.5 s時(shí)，彎曲角度一直呈緩慢增加的趨勢(shì)，未達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；脈寬為1.0、1.5 s時(shí)，手腕形變達(dá)到穩(wěn)態(tài)位置，且二者穩(wěn)態(tài)值誤差較小，基本一致，說(shuō)明手腕重復(fù)定位精度較高。

圖9所示為脈寬為1.5 s時(shí)，不同驅(qū)動(dòng)氣壓0.10、0.20、0.30 MPa激勵(lì)下的脈沖響應(yīng)曲線。可知：隨著氣壓的增加，手腕達(dá)到穩(wěn)態(tài)位置時(shí)的彎曲角度增大。卸壓過(guò)程中，由于氣壓剛度逐漸消失，手腕整體剛度下降，導(dǎo)致手腕存在一定的抖動(dòng)。

2.2.2 制動(dòng)時(shí)脈沖時(shí)域響應(yīng)分析

采用脈寬1.5 s的激勵(lì)信號(hào)，設(shè)定驅(qū)動(dòng)氣壓分別是0.10、0.20、0.30 MPa，分析不同阻尼(通過(guò)調(diào)節(jié)制動(dòng)器的工作氣壓)對(duì)手腕動(dòng)力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖10所示?？芍弘S著制動(dòng)器工作氣壓的增加，手腕達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的彎曲角度逐漸減少；在驅(qū)動(dòng)肌肉卸壓過(guò)程中，手腕恢復(fù)到平衡位置的振幅隨著制動(dòng)器工作氣壓的增加而逐漸減少。由于制動(dòng)器一直處于工作狀態(tài)，手腕恢復(fù)到平衡位置與初始位置存在一定偏差，且該偏差與制動(dòng)器工作氣壓成正比。

2.3 頻域響應(yīng)分析

利用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲得了手腕在不同阻尼下的脈沖時(shí)域響應(yīng)，如圖8—圖10所示。對(duì)上述脈沖激勵(lì)下數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換處理可得驅(qū)動(dòng)氣壓、制動(dòng)氣壓、脈寬等因素對(duì)手腕固有頻率的影響規(guī)律，結(jié)果如圖11—圖13所示。

由圖11可知：脈寬對(duì)手腕固有頻率的影響存在一個(gè)閾值(即該脈寬下手腕彎曲變形是否已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值)，當(dāng)脈寬值大于閾值時(shí)，如脈寬1.0、1.5 s，不同脈寬對(duì)手腕固有頻率沒(méi)有影響；當(dāng)脈寬值小于閾值時(shí)，如脈寬為0.5 s，手腕固有頻率受脈寬和驅(qū)動(dòng)氣壓的雙重影響。

對(duì)圖11中的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理分析，可得不同脈寬時(shí)，手腕固有頻率隨氣壓變化曲線，如圖12所示。可知：脈寬相同時(shí)，隨著氣壓的增加，手腕固有頻率逐漸減少。這主要是因?yàn)殡S著驅(qū)動(dòng)氣壓的增加，手腕彎曲變形程度逐漸加劇，導(dǎo)致其整體剛度減弱，固有頻率隨之降低。

圖13所示為驅(qū)動(dòng)氣壓0.30 MPa、脈寬1.5 s下不同阻尼對(duì)手腕固有頻率影響幅頻特性曲線?？芍菏滞蠊逃蓄l率與阻尼無(wú)關(guān)，始終為1 Hz；手腕泄壓后的振幅隨著阻尼的增加逐漸減小。由此可知，增大阻尼可有效減小手腕抖動(dòng)，減少?zèng)_擊，使其盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié)論

研制了一種阻尼可調(diào)的氣動(dòng)柔性手腕，該手腕具有2個(gè)自由度和2個(gè)機(jī)動(dòng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰、橫擺運(yùn)動(dòng)，且能根據(jù)任務(wù)需要，實(shí)現(xiàn)位置保持。采用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)手腕進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得了不同激勵(lì)信號(hào)和不同阻尼下手腕的時(shí)域和頻域特性，得到以下結(jié)論：

(1)脈寬相同時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)氣壓的增加，手腕固有頻率逐漸降低，且主要集中在低頻區(qū)；

(2)脈寬對(duì)手腕固有頻率的影響存在一個(gè)閾值(即該脈寬下手腕彎曲變形是否已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值)；當(dāng)脈寬值大于閾值時(shí)，不同脈寬對(duì)手腕固有頻率沒(méi)有影響；當(dāng)脈寬值小于閾值時(shí)，手腕固有頻率受脈寬和驅(qū)動(dòng)氣壓的雙重影響；

(3)固有頻率與阻尼的大小無(wú)關(guān)，但增大阻尼可有效減小手腕形變達(dá)到穩(wěn)態(tài)的彎曲角度，同時(shí)還可增加振幅衰減速度。